ПОВІТРЯ РОЗДІЛЕННЯ. проводиться з метою виділення з повітря О2. N2 і благородних газів. Застосовують кріогенний, адсорбційний і дифузний методи. Два останніх, незважаючи на певні переваги, мають обмежене поширення через труднощі створення розділить. установок великої продуктивності.
Криогенний метод. Повітря поділ здійснюється за кріогенних т-рах (нижче - 150 ° С) в т. Зв. воздухоразделіт. установках (ВРУ) шляхом ректифікації; повітря попередньо піддають зріджування. Теоретично мінім. робота, необхідна для повітря поділу, при оборотному процесі визначається тільки початковим станом повітря і кінцевим станом продуктів поділу: LМІН =, де Т - т-ра навколишнього середовища, -зміна ентропії системи. Действит. витрата енергії в ВРУ набагато більше, що пояснюється втратами холоду в навколишнє середовище. недорекупераціей (необоротністю теплообміну між повітрям і продуктами поділу), гідравлічні. опорами та ін. Так, витрата енергії на отримання 1 м3 99,5% -ного О2 досягає 0,38-0,42 кВт * год, тоді як LMІH = 0,067 кВт * год.
У атм. повітрі можлива присутність вуглеводнів (ацетилену. пропілену. пропану і ін.), к-які при кріогенних т-рах тверднуть і утворюють з рідким О2 вибухонебезпечні суміші. Тому для забезпечення повної вибухо-безпеки ВРУ забезпечені спец. системами очищення повітря і продуктів його поділу від орг. домішок. Ректифікацію повітря зазвичай проводять в апараті дворазового дії, к-рий складається з двох розташованих одна над іншою колон (рис. 1) з вбудованим між ними по висоті або без конденсатора-випарником. Трубне простір останнього повідомляється з ниж. колоною, і в ньому конденсуються пари азоту. утворюють флегму для обох колон. Міжтрубний простір конденсатора сполучається з верх. колоною, будучи одночасно її кубом і випарником. Тиск у верхній колоні (0,14 МПа) обумовлюється в осн. гідравлічні. опорами, к-які повинні подолати продукти поділу, що відводяться з ВРУ. Тиск в ниж. колоні (0,55 МПа) відповідає т-ре конденсації парів азоту рідким киснем. киплячим в кубі верх. колони. Прийнятому перепаду тисків між трубним і міжтрубномупросторі конденсатора відповідає різниця т-р 2,5 ° С. Тиск. необхідне для проведення процесу, обумовлюється необхідної холодопроизводительностью, агрегатним станом продуктів поділу та зазначеними вище незворотними втратами. Відповідно до цього розрізняють ВРУ низького і середнього тиску.
Мал. 1. Апарат дворазовою ректифікації. 1, 2-ректифікації. колони; 3 - конденсатор-випарник.
ВРУ низького тиску (рис. 2) застосовують для отримання газоподібних продуктів поділу. Очищений від хутро. домішок повітря стискають компресором до тиску. 0,55 МПа, а необхідна холодопродуктивність досягається розширенням частини його в турбодетандері до тиску. 0,14 МПа. За цією схемою, основоположником к-рій був П. Л. Капіца, будується більшість великих батьківщин. і зарубіжних ВРУ. Вирішальним чинником, що визначив можливість їх створення, є розробка П. Л. Капицею високоефективного реактивного турбодетандера.
Мал. 2. Принципова схема повітро-розділової установки низького тиску. 1-турбокомпресор; 2-кінцевий холодильник; 3 -реверсівние теплообмінники; 4-турбодетандер; 5, 7-соотв. нижня і верхня ректифікації. колони; 6-конденсатор-випарник; 8, 9-охолоджувачі соотв. азотної флегми і кубовою рідини. 10-адсорбер; 11 і 12, 13-клапани соотв. автоматичного і примусового перемикання потоків.
Стиснутий в компресорі повітря охолоджується потім продуктами поділу до - 170 ° С в перемикаються регенераторах або реверсивних пластинчастих теплообмінниках. Одночасно зі зниженням т-ри повітря виморожуються містяться в ньому водяні пари і СО2. Затверділі домішки сублімує і виносяться при рекуперації холоду продуктами поділу і при відповідному перемиканні теплообмінних апаратів. далі
Мал. 3. Принципова схема повітрерозподільчої установки середнього тиску. 1-компресор; 2-кінцевий холодильник; 3, 6-соотв. попередній і основний теплообмінники; 4-відділювач вологи; 5-блок комплексної адсорбції. очищення повітря; 7 - детандер; 8- теплообмінник-зріджувач; 9, 11-соотв. нижня і верхня ректифікації. колони; 10-конденсатор-випарник; 12, 13-охолоджувачі соотв. азотної флегми і кубовою рідини; 14-дросельний вентиль.
повітря піддається адсорбції. очищенню від ацетилену та ін. вибухонебезпечних домішок і ділиться на три потоки. Перший (велика частина повітря) надходить на поділ в ниж. колону. Другий підігрівається в теплообмінниках і змішується з третім потоком; суміш після розширення в турбодетандері направляється на поділ в верх. колону. У ниж. колоні відбувається передуватиме. ректифікація повітря на 97,0-99,9% -ний N2 і рідина. що містить 36-40% О2; остання остаточно розділяється на N2 і О2 необхідної концентрації в верх. колоні. В обох колонах в результаті масообміну між піднімаються вгору парами N2 і О2 і стікає вниз флегмою (рідким N2) пари збагачуються азотом (конденсується висококиплячий О2), а рідина-киснем (випаровується низькокиплячі N2). При цьому азот відводиться з верх. колони зверху, а кисень - з її куба.
ВРУ середнього тиску (рис. 3) використовують для отримання рідких продуктів поділу. У цих установках на відміну від ВРУ низького тиску велика частина стисненого (до 3 МПа і вище) повітря розширюється до 0,55 МПа в турбодетандері, завдяки чому забезпечується необхідне збільшення холодопродуктивності. Повітря поділ також проводиться в апараті дворазовою ректифікації.
Отримання Аг. При повітря поділі міститься в повітрі Аr (0,93%) розподіляється між N2 і О2. При отриманні чистого азоту осн. кол-во Аг відводиться з киснем (до 4%), при отриманні чистого кисню - з азотом (до 1%). Наявність в N2 і О2 домішки Аг не завжди допустимо. Напр. при синтезі NH3 з елементів Аr як інертний газ накопичується в системі, що знижує ефективне тиск процесу. Крім того, підтримку в циклі змісту Аr на допустимому рівні призводить до необхідності безперервного виведення (шляхом продувки) з системи частини циркулюючої азотоводородной суміші. Чисті азот і кисень отримують відбором з верх. колони фракції N2 -O2 -Ar, а Аг як цільовий продукт - ректифікацією даної фракції в доповнить. колоні (рис. 4, а). Відводиться з цієї колони сирої Аr, що містить 2-5% О2 і 1-2% N2. змішують (для зв'язування О2) з воднем і піддають очищенню від О2 на палладиевом каталізаторі. Від азоту і деякого надлишку водню аргон звільняють ректифікацією в спец. колоні (рис. 4,6).
Мал. 4. Схема отримання аргону. a-блок виділення сирого аргону. де 1. 2-соотв. нижня і верхня ректифікації. колони, 3-доповнить, колона, 4-конденсатор; б-блок виділення азоту. де 1-ректифікації. колона, 2 - конденсатор.
Отримання Ne, Кr і Хе. Неон в складі азото-неоногеліевой суміші разом з Н2 накопичується під кришкою конденсатора-випарника. Далі ця суміш збагачується противоточной дефлегмацією в спец. концентраторе, розташованому над тарілками верх. ректифікації. колони в збірнику рідкого азоту. Суміш неону з гелієм відбирається з-під кришки концентратора. Криптон і ксенон. накопичуються в кубі верх. колони, виділяються при отриманні великих кол-в кисню та азоту. Суміш О2 -Кr-Хе розділяється в доповнить. колоні, з куба до-рій відбирається рідкий О2. що містить невеликі кількості Кr і Хе (т. зв. первинний концентрат). Ne з неоно-гелієвої суміші і Кг і Хе зі збагаченого первинного концентрату виділяються адсорбції. методом.
Адсорбційний метод. Заснований на избират. адсорбції молекул разл. газів. Селективна адсорбція N2 наиб. сильно проявляється на синтетичні. цеолітах типу Саа, у яких брало співвідношення А = SiO2 / Al2 O3 не перевищує 2, а також на прир. морденіта і кліноптілоліта. Рушійна сила процесу - перепад тисків газу над цеолітом при адсорбції і десорбції. Адсорбцію проводять, як правило, при 20-30 ° С і 0,1-0,6 МПа, десорбції - при 20-30 ° С зниженням тиску до атмосферного з послід. промиванням частиною продукту або шляхом вакуумування. Цільовий продукт-повітря, збагачений О2 (30-95%). Він утворюється в газовій фазі і відбирається з ВРУ під тим же тиском. що і повітря. к-рий надходить на поділ. Продукт, що містить до 80% О2. зазвичай виробляють в один щабель, більш концентрований економічніше отримувати в два ступені. Коеф. вилучення продукту з повітря залежить від необхідного ступеня його чистоти і тиску процесу і коливається в межах 0,3-0,8; при цьому витрата енергії становить від 0,2 до 1,0 кВт * год / м 3 продукту.
У ВРУ з селективної адсорбцією О2 при т-ре навколишнього середовища застосовують активоване вугілля типу молекулярних сит (напр. Вугілля. Одержувані карбонізацією полівініліденхлоріда). Переваг. адсорбція О2 відбувається внаслідок більшої швидкості дифузії його в пори вугілля. діаметр яких брало порівняємо з діаметром молекул О2 (2,8-10 -10 м). Більшим молекулам N2 для проникнення в пори вугілля потрібно набагато більше часу. Напр. для деяких типів вугілля об'ємне насичення N2 через 2 хв після контакту адсорбенту з повітрям становить лише 2%, для О2 - 40%; через 5 хв-соотв. 4 і 77%. В результаті осн. маса кисню виявляється адсорбированной, а азот. залишився в газовій фазі, відводиться з адсорбера під тиск. 0,1-0,6 МПа як один з продуктів поділу, що містить 0,5-3,0% О2. Потім тиск знижують до атмосферного і відбирають ін. Продукт - адсорбат, збагачене киснем. При цьому в одноступенчатом процесі отримують продукт, що містить 50-60% О2. в двухступенчатом - 90-95%. Уд. продуктивність ВРУ по збагаченому повітрю досягає ок. 30 м 3 / год на 1 м 3 адсорбенту.
Адсорбції. метод широко застосовується для розділення сумішей Ne - Хіба ж то й Кг - Хе. Суміш, що містить до 50% неону і гелію. попередньо очищають від N2 за допомогою активного вугілля при т-рах від - 190 до - 200 ° С і вводять в адсорбер. де на шарі вугілля піддають тримаючи. поділу. При цьому багато разів відбуваються десорбція в нагрітих шарах і послід. адсорбція в холодних, в результаті чого Ne практично повністю витісняє Чи не з адсорбує. фази. Спочатку з адсорбера виводиться майже чистий Не, потім фракція He-Ne і, нарешті, чистий Ne, що містить 0,1-0,2% Не. Коеф. вилучення Ne залежно від ступеня його чистоти становить 0,6-0,8.
Кріогенна ректифікація економічніше, ніж адсорбція. при отриманні продуктів поділу в великих масштабах. Для ВРУ малої і середньої продуктивності згадані методи можна порівняти за енерговитратами; по металоємності, простоті конструкції, зручності обслуговування і можливості повної автоматизації установок адсорбції. метод значно перевершує кріогенне ректифікації. повітря поділ.
Дифузійний метод. Полягає в поділі компонентів повітря завдяки відмінності між їх коеф. газопроницаемости через спец. мембрани. Рушійна сила процесу - різниця парціальних тисків компонентів повітря і дифундуючої суміші по обидві сторони мембрани. За однією схемою повітря. очищений від пилу на фільтрі. направляється вентилятором при атм. тиску в мембранний апарат, де в зоні під мембраною за допомогою вакуум-насоса створюється розрідження; за іншою - замість вентилятора використовують компресор, к-рий подає повітря в апарат під підвищ. тиском. В обох випадках повітря в апараті розділяється на два потоки: проникаюче (пермеат) і не здатний проникати (нонпермеат) через мембрану. Кисень проникає через мембрану в дек. раз швидше, ніж азот. тому пермеат збагачується киснем. а нонпермеат - азотом.
Дифузійний метод повітря поділу знайшов практич. застосування в тих випадках, коли потрібні відносно невеликі кількості повітря. помірно збагаченого О2. в медицині для кисневої терапії, в риборозведення для насичення киснем води ставків і ін. водоймищ, на електростанціях при спалюванні газоподібних палив (гл. обр. прир. газу в спец. газогенераторах для прямого перетворення теплової енергії в електричну), при біол. очищенні стічних вод. в міському сільському господарстві при спалюванні побутових відходів та ін. Отриманий у такий спосіб 90-97% -ний N2 використовується для створення інертного середовища в багатьох хіміко-технол. процесах, а також при зберіганні і транспортуванні горючих і вибухонебезпечних в-в, при зберіганні плодів. овочів, насіння і т.д. Див. Також Захисний газ.
Повітря поділ із застосуванням мембран здійснюється безперервним способом, при т-ре навколишнього середовища без фазових превращ. що поряд з простотою апаратурного оформлення визначає економічність цього методу. Див. Також Мембранні процеси розділення.
===
Ісп. література для статті «ПОВІТРЯ РОЗДІЛЕННЯ». Розділення повітря методом глибокого охолодження, під ред. В.І. Єпіфанової, Л.С. Аксельрода, 2 видавництва. т. 1-2, М. 1973; ХвангС.-Т. Каммермейер К. Мембранні процеси розділення. пер. з англ. М. 1981; Беляков В. П. Кріогенна техніка і технологія, М. 1982; Кельце Н. В. Основи адсорбційної техніки, 2 видавництва. М. 1984. В.П.Беляков.